Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эволюция криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Эволюция криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене"

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ КРИОСФЕРЫ ЗЕМЛИ

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

Облогов Глеб Евгеньевич

ЭВОЛЮЦИЯ КРИОЛИТОЗОНЫ ПОБЕРЕЖЬЯ И ШЕЛЬФА КАРСКОГО МОРЯ В ПОЗДНЕМ НЕОПЛЕЙСТОЦЕНЕ - ГОЛОЦЕНЕ

Специальность: 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат

28 ОКТ 2015

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Тюмень 2015

005563860

005563860

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте криосферы Земли Сибирского отделения РАН.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

главный научный сотрудник института криосферы Земли СО РАН

Васильев Александр Алексеевич

Научный консультант: кандидат геолого-минералогических наук,

доцент географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Стрелецкая Ирина Дмитриевна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, начальник

отдела инженерно-геокриологической съемки и ГИС (ОИГС) ОАО «Фундаментпроект», Ривкин Феликс Менделеевич

кандидат геолого-минералогических наук старший научный сотрудник геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, Тумскон Владимир Евгеньевич

Ведущая организация: ФГУП "ВНИИОкеангеология

им. И.С. Грамберга", 190121, Санкт-Петербург, Английский проспект, д.1

Защита состоится « 10 »декабря 2015 г. в 1300 на заседании диссертационного совета ДМ 003.042.02 при Институте криосферы Земли СО РАН по адресу: Россия, Тюмень, ул. Малыгина, 86.

Автореферат размещен на интернет-сайтах Института криосферы Земли СО РАН http://wvvw.ikz.ru/about/dissertation council и Министерства образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института криосферы Земли СО РАН по адресу: Россия, Тюмень, ул. Таймырская, 74 и на сайте ИКЗ СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба направлять по адресу: 625000, Россия, Тюмень, а/я 1230 ученому секретарю диссертационного совета ДМ 003.042.02 Якимову A.C., либо по электронной почте: sciensec@ikz.ru

Автореферат разослан « »октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат географических наук Якимов A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Криолитозона шельфа и континентального обрамления морей Российской Арктики, включая Карское море, изучена недостаточно. При этом в последние 10-15 лет исследования закономерностей формирования, эволюции, оценки современного состояния и потенциальных изменений криолитозоны выдвинулись в первый ряд в связи с выявлением важной роли шельфовой и прибрежной криолитозоны в формировании климата Арктики и природной обстановки в целом (Stein et al., 2002; Григорьев др., 2006; Shakhova et al., 2010; Васильев, Рекант, 2011и др.). Взаимодействие моря и суши в Арктике определяет основные тренды эволюции криолитозоны, как важнейшего компонента природной среды, оказывает прямое влияние на потоки парниковых газов, формирование арктического климата и природной среды Арктики в целом.

Современная криолитозона несет в себе черты и свойства, сформировавшиеся в течение позднего неоплейстоцена-голоцена, поэтому современное состояние шельфовой и прибрежной криолитозоны и оценки ее будущих изменений могут быть поняты только на основе изучения геологической истории и палеогеографических условий региона в это время.

Оценка эволюции криолитозоны шельфа и побережья Карского моря, закономерностей ее распространения и свойств имеет также и большое прикладное значение, т.к. на шельфе расположены перспективные месторождения газа (Харасовейское и Крузенштерновское) и нефти (Победа), которые уже в среднесрочной перспективе будут вовлечены в освоение.

Цели и задачи диссертационной работы непосредственно связаны с исследованиями ИКЗ СО РАН по программе НФИ, Раздел 8 "Науки о Земле":

подраздел 75 "Мировой океан (физические, химические и биологические процессы, геология, геодинамика и минеральные ресурсы океанской литосферы и континентальных окраин; роль океана в формировании климата Земли, современные климатические и антропогенные изменения океанских природных систем)";

подраздел 77 "Физические и химические процессы в атмосфере, включая ионосферу и магнитосферу Земли, криосфере и на поверхности Земли, механизмы формирования и современные изменения климата, ландшафтов, оледенения и многолетнемерзлых грунтов".

Цель работы. Основная цель исследований - реконструировать и охарактеризовать основные этапы и черты эволюции криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

выполнен обзор современных представлений о геокриологическом строении и истории развития криолитозоны;

проведено детальное геокриологическое изучение и опробование серии опорных геокриологических разрезов на побережье Карского моря, охватывающих геологическое время от казанцевского этапа позднего неоплейстоцена до голоцена;

изучен изотопный состав подземных' льдов, рассматриваемых как индикатор палеогеографических условий;

реконструированы этапы и палеогеографические условия эволюции криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем - неоплейстоцене - голоцене.

Научная новизна диссертации заключается в развитии существующих и формулировании новых представлений об эволюции криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене:

получены новые подробные геокриологические данные по серии опорных разрезов на побережье Карского моря, которые могут быть использованы для других видов геологических исследований - картографирования, геологических корреляций и т.п.;

установлено, что ледовый комплекс (ЛК) Западного Таймыра является естественной границей распространения ЛК в силу того, что нигде к западу от него в позднем неоплейстоцене - голоцене не существовало геологических и климатических условий для образования отложений ЛК. Ледовый комплекс на побережье Западного Таймыра отличается от других известных регионов более молодым возрастом (МИС 2) и меньшей мощностью;

на основе анализа изотопного состава подземных льдов доказано, что атмосферная циркуляция в Российской Арктике, начиная с 50 тыс. лет назад и до настоящего времени носила устойчивый характер. Формирование ледникового щита в Баренцевом и Карском морях в период последнего оледенения (МИС 2) не оказывало существенного влияния на параметры

атмосферной циркуляции. Вероятно, ледниковый щит был незначительным по площади и высоте и практически не препятствовал атмосферному переносу с запада на восток. Предложено использовать изотопный состав повторно-жильных льдов (ПЖЛ) как надежный индикатор их возраста. Современное образование ПЖЛ на побережье Карского моря возможно только к востоку от Гыданской губы;

реконструированы геологическая история и палеогеографические условия эволюции криолитозоны на побережье и шельфе Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене. Восстановлены зимние и оценены летние и среднегодовые характеристики климата региона. Составлены картосхемы, иллюстрирующие природную обстановку и пространственное распределение климатических характеристик в МИС 3, МИС 2 и МИС 1. Показано, что принципиальное пространственное распределение климатических показателей оставалось стабильным в последние 50 тыс. лет.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для построения обзорных и прикладных инженерно-геокриологических карт исследованной территории, включая шельфовую зону, и оценки инженерно-геокриологических условий предполагаемых к освоению месторождений нефти и газа. Новые данные о геокриологическом строении опорных разрезов и свойствах слагающих их пород могут использоваться для совершенствования стратиграфических схем четвертичных отложений севера Западной Сибири.

Защищаемые положения:

ледовый комплекс (ЛК) Западного Таймыра представляет собой естественную границу распространения ЛК в силу того, что нигде к западу от него в позднем неоплейстоцене - голоцене не существовало геологических и климатических условий для образования отложений ЛК. Ледовый комплекс Западного Таймыра характеризуется более молодым возрастом и меньшей мощностью по сравнению с другими регионами;

в последние 50 тыс. лет характер атмосферной циркуляции в Российской Арктике, включая побережье и шельф Карского моря, оставался стабильным. Последнее оледенение не оказывало существенного влияния на параметры атмосферной циркуляции. Вероятно, ледниковый щит был незначительным по площади и высоте и практически не препятствовал атмосферному переносу;

- реконструирована геологическая история и палеогеографические условия эволюции побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене-голоцене. Восстановлены зимние и оценены летние и среднегодовые температуры воздуха в регионе. Охарактеризована природная обстановка и пространственное распределение климатических характеристик в МИС 3, МИС 2 и МИС 1. Принципиальное распределение климатических показателей оставалось стабильным в последние 50 тыс. лет.

Степень достоверности и апробация результатов. Результаты проведенных исследований являются достоверными, поскольку получены с использованием разных методов (геокриологическое документирование разрезов, статистически обоснованное опробование, аналитические исследования на сертифицированном оборудовании и т.п.) и хорошо согласуются друг с другом. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международных и Всероссийских конференциях в том числе: Десятая Международная конференция по мерзлотоведению (Салехард, 2012), Четвертая Европейская конференция по мерзлотоведению (Эвора, Португалия, 2014), Четвертая конференция reo криологов России (Москва, 2011), XV Гляциологический симпозиум «Прошлое, настоящее и будущее криосферы Земли» (Архангельск, 2012), VIII Всероссийское совещание по изучению четвертичного периода (Ростов-на-Дону, 2013), Международная конференция «Арктика, Субарктика: мозаичность, контрастность, вариативность криосферы», (Тюмень, 2015) и др.

Публикации. По результатам исследований опубликовано двенадцать работ, в том числе семь работ в изданиях, включённых в Перечень ВАК РФ.

Личный вклад соискателя. Работа базируется на материалах полевых, лабораторных и аналитических исследований, выполненных непосредственно автором или при его прямом участии. Обобщение полевых и аналитических данных и их интерпретация, реконструкция истории геологического развития и палеогеографических условий, составление текстовых и графических материалов выполнены лично автором.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 184 страницах, включает 49 рисунков, 41 таблицу и 6 приложений. Список литературы содержит 154 наименования.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.г.-м.н. A.A. Васильеву и научному консультанту к.г-м.н. И.Д. Стрелецкой за постановку научной проблемы, консультации и помощь в выполнении исследований, анализе полученных результатов и формулировке выводов. Автор выражает благодарность всем коллегам, участвовавшим в экспедиционных работах, а также соавторам по совместным публикациям за ценные советы и замечания при обсуждении полученных результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель и задачи, изложена научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложена структура диссертации.

В первой главе представлен обзор литературных данных, отражающих современные представления о геологическом строении и истории развития криолитозоны на побережье и шельфе Карского моря. Показано, что чередовании трансгрессий и регрессий в эпохи термо- и криохронов лежат в основе всех классических схем развития севера Евразии в неоплейстоцене. В данной главе также рассмотрены «морские изотопные стадии» как основание для периодизации позднего неоплейстоцен-голоцена.

Первая региональная стратиграфическая схема, составленная В.Н. Саксом (1951) по результатам изучения геологического строения Нижне-Енисейского района, легла в основу создания всех последующих западносибирских стратиграфических схем. Большая часть разреза плейстоцена в данной схеме выделялась в подразделения морского генезиса.

Дискуссионные вопросы, касающиеся происхождения обнажающихся в основании обрывов суглинков спорного генезиса, генезиса и возраста пластовых льдов региона, а также наличия дислоцированных отложений во многом решались распространением среди ряда ученых (Яковлев, 1956; Заррина, Краснов, 1961; Лавров, 1965; Каплянская, Тарноградский, 1975; Астахов, 2009 и др.) «гляциолистской» теории, по которой весь север Западной Сибири в течение плейстоцена неоднократно подвергался воздействию покровных оледенений. Напротив, сформировалась и другая научная школа со сложившимися представлениями о преимущественно бассейновом, морском происхождении неоплейстоценовых отложений западного сектора Российской

Арктики (Попов, 1953; Афанасьев, 1961; Кузин, Рейнин, Чочиа, 1961; Лазуков, 1971; Зубаков, 1972; Данилов, 1969; Загорская и др., 1965 и др.).

Результаты современных геологических и геокриологических исследований на побережье Карского моря освещены в публикациях (Гусев, Молодьков, 2012; Гусев и др., 2011; Стрелецкая и др., 2007, 2009, 2015; Опокина и др., 2010; Слагода и др., 2010 и др.).

Несмотря на непрерывную дискуссию по факту повсеместно используется стратиграфическая схема В.Н. Сакса. Для преодоления проблемы стратиграфического деления удобно использовать принцип возрастного деления неоплейстоцена — голоцена в соответствии с кислородно-изотопной шкалой (ВаБвто! е1 а!., 1994) и морскими изотопными стадиями (МИС), границы которых достаточно точно установлены. Морские изотопные стадии хотя и отражают глобальные этапы изменения климата, однако могут служить лишь опорой хроностратиграфической привязки выделяемых региональных горизонтов, генезис и условия формирования которых, лишь отчасти связаны с общей глобальной историей палеоклимата.

Во второй главе подробно представлены результаты детального изучения, опробования и комплекса аналитических работ, выполненных на опорных (ключевых) разрезах поздненеоплейстоцен-голоценовых отложений на побережье Карского моря.

Всего изучены и интерпретированы семь протяженных опорных разрезов, расположение которых приведено на рисунке 1.

КАРСКОЕ МОРЕ

75'

ДИКСОН

ад о

^ ЕРЫ-МАРЕТАЯХА 7 ■

~ ПАХА-С/

О СИБИРЯКО!

п-овТАЙМЫР

зоа т

■ "КРЕСТЬЯНКА *ЯХА —СОПОЧНАЯ

I

<о

О

Рис. 1. Расположение опорных разрезов.

В геологическом отношении разрезы охватывают геологическую историю от санчуговского (салехардского) времени (МИС 6) до современного. При исследовании опорных разрезов особое внимание было уделено подземным льдам как индикаторам палеогеографических условий формирования и эволюции криолитозоны. В зависимости от геологической истории развития территории в опорных разрезах были представлены отложения разных временных этапов, ни в одном из изученных разрезов нет полного набора отложений, отвечающих всему периоду позднего неоплейстоцена - голоцена.

В качестве примера на рисунке 2 представлен схематический опорный криолитологический разрез мыса Сопочная Карга (Западный Таймыр).

Вскрытые у уреза Енисейского залива глины и суглинки (mill1), слагающие террасу с абсолютными отметками 30-35 метров, накапливались в конце казанцевского (МИС 5) времени в обстановке морского бассейна в условиях мелководья или придельтовой части реки при участии вдоль береговых течений и волновой переработки. Суглинисто-глинистая толща (mill1) с размывом переходит в супесчано-песчаные отложения (аШ3"4) каргинско-сартанского возраста (МИС 3-2). Данный горизонт вмещает сингенетические полигонально жильные льды (ПЖЛ) длиной до 10 м и шириной поверху 3-4 м. Формирование данных отложений происходит в суровых сухих условиях. Реконструируемая на основе данных изотопного анализа расплавов сингенетических ПЖЛ температура воздуха в январе в это

- _---- ,---.------ ------------ — — . ...... ....... Q8CK4 ............... :..............

аэ.1о 12 13 •(.'«'<! 14 * 15 16 17 18 jjj 19 -кмО 20 alV 21

Рис. 2. Схематический опорный криолитологический разрез и схема опробования берегового обнажения возле мыса Сопочная Карга. Горизонтальный размер повторно-жильных льдов показан вне масштаба. Условные обозначения: I- глины; 2- глины с прослоями супесей и песков; 3- суглинки; 4- супеси; 5- пески; 6- торф; 7- растительные включения (детрит); 8- раковины морских моллюсков; 9- включения гальки и не окатанных валунов; 10- сильно-льдистая дислоцированная толща (пластовый лед); 11- сингенетические ПЖЛ; 12- засоленность пород,%; 13- суммарная весовая влажность (льдистость), %;

14- содержание органического углерода, %; 15- пробы пород на грануломинералогический анализ (по методике A.B. Суркова); 16- место находки туши мамонта; 17- границы а) литологическая; б) блоков смещенных пород (останцов); 18- фациальная граница; 19- номер обнажения и место отбора проб на изотопный состав ПЖЛ; 20- место отбора проб на изотопный анализ текстурного льда и содержание изотопа кислорода в текстурном льду, %о; 21- геолого-генетический индекс отложений. Датировки отложений представлены с индексами метода датирования (|4С, OSL, AMS).

После 5-4 тыс. лет назад температура воздуха приближается к современной, однако климат изменятся с большими вариациями. Температура воздуха нередко становиться ниже современной на 4-5 °С. В голоценовых супесчано-песчаных отложениях (lblV) формируется комплекс отложений, вмещающий сингенетические ПЖЛ. Насыщенные органикой пылеватые отложения по составу близки к нижележащим более древним прибрежно-морским отложениям. Сингенетические ПЖЛ в этих отложениях, характеризуются наиболее тяжелым изотопным составом, диапазон изменений 5lsO которых составляет -20,3 %о -19,0 %о. То, что комплекс данных отложений формировался в голоценовое время, подтверждают датировки нижележащего торфяного горизонта.

Поздненеоплейстоценовые и голоценовые отложения на западном побережье полуострова Ямал, обнажающиеся в береговых обрывах возле полярной станции Марре-Сапе, достаточно хорошо изучены (Стрелецкая и др., 2011; Каневский и др., 2005; Крицук, 2010; Слагода и др., 2010) и обеспечены представительными рядами радиоуглеродных датировок (Forman et al., 2002). Это позволяет с достаточной степенью достоверности интерпретировать условия и время образования подземных залежей льдов и отложений. Опорные криолитологические схематические разрезы Западного Ямала возле мыса полярной станции Марре-Сале представлены на рисунке 3.

Засоленные глинистые породы (mill1) в основании обрыва были сформированы более 70 тыс. лет назад, во время трансгрессии Карского палеобассейна в казанцевское (МИС 5) время. Аналогичные породы обнажаются и в основании обрыва возле мыса Сопочная Карга. В данных отложениях встречена залежь пластового льда (рис. ЗА). Присутствие аутогенного марказита свидетельствует о сероводородном загрязнении в застойных, скорее всего, лагунных, условиях.

£22?» Е2» ШВЧ ОгЗ* « ИВ7 Эй» 1Ж» !Г( ¡« - - 1 ««"» НВ« >«* «

* 15 !5ШО 16 иЙЁ 121

Рис. 3. Схематический опорный криолитологический разреы и участки опробования берегового обнажения возле п/с Марре-Сале (Западный Ямал).Горизонтальный размер повторно-жильных льдов на разрезе А вне масштаба. Условные обозначения: 1- глины; 2- супеси; 3- пески; 4- торф; 5- растительные включения (детрит); 6- включения гальки; 7- сильно-льдистая дислоцированная' толща (пластовый лед I типа); 8- залежь пластового льда II типа; 9- повторно-жильные льды (ПЖЛ); 10- трещинно-жильный лед; 11- линзы и прослои льда;12- засоленность пород, %; 13- весовая влажность (льдистость): а) суммарная, б) минеральный прослоев, %;14- содержание органического углерода (Сорг), %; 15- пробы пород на грануломинералогический анализ; 16-содержание изотопа кислорода (5180) во льду, %о; 17- литологическая граница; 18- местоположение разреза Б; 19- номера расчисток; 20- возраст отложений по данным радиоуглеродного датирования (|4С): 21- геолого-генетический индекс отложений.

Во второй половине МИС 3 (44-37 тыс. лет назад) на побережье Карского моря морские условия сменяются континентальными. Анализ полученных данных показывает, что толща ледогрунтового горизонта (атШ2"3) формировалась в данное время в условиях промерзания потоков насыщенных большим количеством глинистых и пылеватых частиц. Высокая льдистость отложений, ритмичное чередование линз практически чистого льда и льдистых прослоев грунта указывают на сингенетическое накопление и промерзание отложений в условиях осушенного шельфа.

Континентальная часть разреза представлена озерно-болотными супесчаными отложениями (1ЫН4) сартанского времени (МИС 2) и голоценовыми (МИС 1) песчаными (а1У) и торфяными (ЫУ) отложениями. Отложения сартанского возраста включают в себя сингенетические ПЖЛ, эпигенетические хвосты которых внедряются в нижележащие отложения ледогрунтовой толщи. Начало формирования данных ПЖЛ датируется возрастом от 16,4 до 12,2 тыс. лет назад, окончание роста соответствует

времени около 11-10 тыс. лет назад (Forman et al., 2002). По значениям содержания изотопов кислорода и дейтерия верхненеоплейстоценовых ПЖЛ (5180 в среднем составляет -24 -5- -23%о), можно говорить о суровых условиях сартанского времени. Сингенетический комплекс голоценовых ПЖЛ был сформирован после голоценового оптимума. Реконструкции зимних температур воздуха на основе анализа изотопного состава расплавов сингенетических голоценовых ПЖЛ указывают на то, что климатические условия того времени сходны с современными ландшафтами арктических тундр в районе п. Диксон на Западном Таймыре.

Таким образом, рассмотрено геокриологическое строение и выполнена палеогеографическая реконструкция всех изученных опорных разрезов.

Третья глава посвящена изучению уникального природного феномена, известного как «Ледовый комплекс» (ЛК), который ассоциируется прежде всего с наличием в разрезе мощных сингенетических ПЖЛ. При этом далеко не все разрезы с сингенетическими ПЖЛ могут быть отнесены к ЛК. Проблема генезиса отложений ЛК существовала с момента выделения данного понятия. А.И. Попов считал, что отложения ледового комплекса аллювиального генезиса (Попов, 1953), этой гипотезе придерживаются и некоторые другие отечественные и зарубежные исследователи (Лаврушин, 1963; Schirrmeister, 2003). Также распространено мнение о преимущественно склоновом генезисе ЛК (Конищев, 2013; Гравис, 1969), эоловом (Péwé, 1975; Тормидиаро, 1980), о нивальном (Куницкий, 1989) и даже морском (Большиянов, 2011) происхождении отложений ЛК. Чаще всего ЛК рассматривается как полигенетическое континентальное образование (Романовский, 1993; Жесткова и др., 1986, Kanevskiy et al., 2011 и др.). При этом учитывается, что ведущими факторами формирования ЛК являются холодный климат, способствующий активному морозному выветриванию скальных пород, и непрерывное осадконакопление.

ЛК - это в основном пылеватые (до 90%), пылевато-песчаные отложения с включениями органических остатков, вмещающие сингенетические ПЖЛ, формирующиеся в эпохи похолоданий. Суммарное количество льда в ЛК может достигать 80-90% от единицы объёма массива.

Изученные в обнажениях возле поселка Диксон монодисперсные, пылеватые отложения, вмещающие комплекс мощных ПЖЛ, сартанского (МИС 2) возраста, отнесены нами к отложениям ЛК Западного Таймыра.

Опорный криолитологический схематический разрез берегового обрыва возле поселка Диксон (бухта Северо-Восточная) представлен на рисунке 4. В обнажении прослеживается два геолого-стратиграфичесаких горизонта. Накопление верхней толщи отложений началось около 9-10 тыс. лет назад, т.е. имеет голоценовый возраст (МИС 1) и формально не относятся к ледовому комплексу, имея при этом большое сходство с ним. Отложения, вмещающие нижний комплекс ПЖЛ, имеют поздненеоплейстоценовый сартанский (МИС 2) возраст. Состав отложений в разновозрастных горизонтах идентичный -пылеватый (содержание пылеватой фракции превышает 80%), содержащий минералы первичных пород. Это говорит о важной роли криогенного выветривания как источника (механизма) мобилизации материала при образовании ЛК и схожих генетических условиях накопления. В голоценовом комплексе отложений, вмещающим верхний ярус ПЖЛ, количество органического углерода в среднем выше, чем в отложениях нижнего яруса (до 4,2 %), что указывает на более мягкие климатические условия при накоплении голоценового горизонта.

С Ю

Рис. 4. Схематический криолитологический разрез берегового склона в районе п. Диксон (бухта Северо-Восточная). Составлено с использованием материалов Е.А. Слагоды, О.Л. Опокиной с соавт. (Опокина и др., 2014).Условные обозначения: 1-алеврит; 2-алеврит с большим количеством органического материала; 3-торф; 4-коренные породы основного состава пермского возраста; 5-растительные включения (детрит); б-остатки древесины; 7-галька; 8-сингенетические ПЖЛ; 9- засоленность пород, %; 10- суммарная весовая влажность, %; 11- содержание органического углерода. %; 12-геологические границы; 13-номер обнажения и место отбора проб на изотопный состав ПЖЛ; 14-геолого-генетический индекс отложений; 15-календарный возраст отложений по данным радиоуглеродного анализа, годы.

Содержание 5lsO во льду сингенетических жил в районе п. Диксон различается в среднем на 4-5%о, тогда как в пределах одной жилы вариации незначительны.

Средняя температура января при формирование нижнего комплекса составляла около -39 °С. При формировании верхнего комплекса - -30 °С. Сейчас средняя январская температура на Диксоне составляет -28,1 °С. Карбонатно-кальциевый состав ПЖЛ нижнего яруса, в отличие от хлоридно-натриевого в жилах верхнего яруса, указывает на то, что формирование жил нижнего яруса происходило на большом удалении от берега Карского моря. Это подтверждает данные о крупной позднеплейстоценовой (сартанской) регрессии моря. Считается, что в то время русло Енисея продвинулось к северу более чем на 300 км (Stein et al., 2002). Льды мощностью 10-12 м начали формироваться в позднем неоплейстоцене (МИС 2) и занимали часть осушающегося шельфа близ северо-западного Таймыра.

Отложения, вмещающие мощные сингенентические ПЖЛ, формировались в холодных аридных условиях сартанского времени. Голоценовое похолодание около 5-4 тыс. лет назад привело к мррозобойному растрескиванию, формированию жил верхнего яруса, при этом льды частично надстраивают реликтовые позднеплейстоценовые жилы.

Результаты изучения специфических разрезов в районе пос. Диксон и их палогеографическая интерпретация позволяет сделать некоторые выводы: 1) Поздненеоплейстоценовые отложения возле п. Диксон относятся к типичным отложениям ЛК. На это указывают монодисперсный монотонный состав пылеватой размерности, наличие мощных сингенетических ПЖЛ, исключительно высокая льдистость отложений, характерная поясковая криотекстура, отсутствие седиментационной слоистости. 2) Мощность отложений ЛК на Западном Таймыре существенно меньше, чем в Якутии и на Чукотке, она ненамного превышает 10 м. 3) Ледовый комплекс Западного Таймыра формировался только в сартанское время (МИС 2) и имеет возраст не старше 20 и до 10 тыс. лет. 4) Формирование отложений ЛК происходило в условиях близкого переноса при ключевой роли склоновых процессов. 5) Образование отложений ЛК проходило в суровых аридных условиях при январских температурах около -40 °С.

В четвертой главе рассмотрен изотопный состав подземных льдов (главным образом ПЖЛ) как индикаторов палеоклиматических условий.

Основой таких интерпретаций является связь изотопного состава атмосферных осадков (снега и дождя) с температурой воздуха (Dansgaard, 1964; Michel, 1982; и др.). Формирование ПЖЛ происходит за счет попадания снега и талой воды в морозобойные трещины. Предполагается, что попавшие в трещины атмосферные осадки полностью, либо с незначительными изменениями сохраняют исходный изотопный состав. Другими словами, полигонально-жильные льды несут «изотопный сигнал», на основании которого есть возможность восстановить температуру воздуха времени формирования атмосферных осадков.

В процессе формирования, ПЖЛ претерпевают влияние различных температур и давлений, что может влиять на их исходный изотопный состав. Однако, мы исходим в целом из неизменности исходного содержания изотопов кислорода и дейтерия ПЖЛ в течение всего времени их существования, считая процессы изменения изотопного содержания незначительными.

Первые оценки зимних температур воздуха на основании изотопного состава ПЖЛ были выполнены Ю.К. Васильчуком (1992). Им выявлены и предложены для расчетов простые линейные зависимости средней январской и средней зимней температуры воздуха от содержания изотопов кислорода (6180) и дейтерия (8D) во льду ПЖЛ. В настоящее время (в том числе автором) получены многочисленные новые данные по содержанию 5180 и 5D из ПЖЛ, в связи с чем была предпринята попытка уточнить предложенные Ю.К. Васильчуком зависимости применительно ко всему региону Российской Арктики.

В связи со спецификой формирования полигонально-жильных льдов из снега и талой воды можно восстановить палеотемпературы только для зимнего периода. Собранные данные по содержанию изотопов 5180 элементарных жилок льда и известные данные по температурам воздуха ближайших (к местам опробования жилок) метеостанций, позволили провести корреляцию и построить калибровочные графики для самого холодного месяца (января), средней температуры холодного периода (октябрь-май) и средней зимней температуры (декабрь-февраль) (рис. 5).

Рис. 5. Корреляция между значениями д'еО в современных элементарных ледяных жилках и температурами воздуха. Условные обозначения: 1 — январь; 2 — зима (декабрь-февраль); 3 - холодный период (октябрь-май).

Уравнения регрессии, описывающие связь 5180 ПЖЛ со средней январской температурой (Тср.янв), средней температурой зимнего периода (Тер.зим) и средней температурой холодного периода (Тср.хол):

Тср.янв = 1,12 5180 - 6,43, И2 = 0,745, о = 2,6, Тер.зим = 1,15 5|80-4,6, Я2 = 0,754, а = 2,7, Тср.хол = 0,885 5180 - 2,55, Л2 = 0,674, о = 2,7.

Разница оценок по сравнению с данными Ю.К. Васильчука (1992, 2006) составляет менее 2 °С. С вероятностью 0,85 пределы варьирования частных значений определяемой по уравнениям регрессии температуры составляют ±3,8 °С.

Были собраны все доступные данные по изотопному составу ПЖЛ известного возраста и сформирована база данных, охватывающая 31 участок в Российской Арктике. Фрагмент базы данных приведен в табл. 1.

Таблица 1

Средние значения изотопа кислорода (5 |80) в полигонально-жильных льдах Российской Арктики (фрагмент)

№ Средние значения (б '"О), %а

на ри с. 7,8 Место отбора пробы Геогр. координ. Современ. (элемент, жилки) Голоцен (МИС 1) Поздний Плейстоц ен (МИС 2) Поздний Плейстоце н (МИС 3) Поздний Плейстоц ен (МИС 4) Источник

1 Адвентдален, Шпицберген N 78°12 Е 15°50 -10,5(1) * -15,6 (65) Буданцева и др.. 2012

5 Mappe-Сале, Зап. Яшя N 69°41 Е 66°48 -14,0(2) -16,7 (40) -23;9 (12 6) -23.6(1) Стрелецкая и др., 2013

8 Се-Яха восточная N 70°00 Е 72°30 -17,3 (2) -19,7 (3) -22,9 (15) 23,9(17) Васильчук, 1992, 2006

9 Гыданский п-ов N 71 "48 Е 75й12 -19,5 (15) -24,1 if Облогов и др.,2012

10 о. Свердруп N 75°15 Е 79°00 -19,9 (1) -24,9 (1) Тарасов и др., 1995

11 о. Сибирякова N 72°43 Е 79°06 -19,9 (22) Стрелецкая и др., 2012;

12 п. Диксон N 73°30 Е 80°33 -20,7(1) -20.6 (33). -24,9 (17) Streletskayai et al., 2011;2013

13 мыс Сопочная Карга N 71°53 Е 82°40 -16,6 (1) -19,8 (3) -23.7 (42) Streletskaya et al,, 2011;2013

17 Мыс Мамонтовый Клык N 74°00 Е116°00 -20,5 (1) -24,9 (>200) -31,0 (>200) -30,6(1) Magens, 2005, Boereboom et al., 2013

19 Быковский п-ов N 71°40 Е 129°00 -25,4 (15) -28,2 (239) -30,8 (72) -30,1 (112) -32,0(1) Schirrmeister et al., 2002, Meyer et al., 2002b

24 Бизон N 69°00 Е158°00 -25,3 (7) -27,0 (6) -32,4 (61) -33,0(1) Коняхин и др., 1996 Васильчук, 2006

30 Апапельхин-ская низм. N 70°00 Е 171 °00 -33,6 (2) Романенко и др., 2011

*В скобках приведено количество образцов при определении средних значений изотопа кислорода 81 О.

Серым цветом выделены данные, полученные автором.

На рисунке 6 представлено пространственное распределение содержания

изотопа 5|80 сингенетических ПЖЛ для временных интервалов,

соответствующих морским изотопным стадиям 1-4, и для современных

Рис. 6. Пространственное распределение значений изотопа ¿'"О полигонально-жильных льдов Российской Арктики и линии их трендов, формировавшихся в разное время.

Условные обозначения: ¡-современные элементарные жилки, 2- МИС 1, 3- МИС- 2, 4- МИС 3, 5- МИС 4.

элементарных ледяных жилок.

4 4»

А Ы * 2 »3 «4 »5

*

* А *

^ ... * *

^SNS, * *

"о 30 60 90 120 150 * 180

Восточная долгота, грод.

Для наглядности проведены линии трендов. Из рисунка следует, что наклоны линий трендов в целом близки друг к другу. Незначительное отклонение наблюдается только по линии соответствующей возрасту МИС 4, однако стоит отметить, что для этого времени доступен лишь небольшой набор данных. Примерно одинаковый характер трендов указывает на устойчивый характер атмосферной циркуляции в Евразийской Арктике в последние 50 тыс. лет.

По приведенным уравнениям регрессии были рассчитаны средние палеотемпературы января, зимнего и холодного периодов для временных интервалов МИС 1, МИС 2, МИС 3 и МИС 4 в Российской Арктике.

Современные температуры (климатические стандарты) взяты из базы климатических данных.

На рисунках 7, 8 представлены пространственные распределения реконструированных палеотемператур воздуха в январе и средних температур воздуха в холодный период (октябрь - май).

Наиболее низкие температуры наблюдались на протяжении МИС 4 (60-45 тыс. лет назад) на побережье современного Восточно-Сибирского моря. Средняя температура холодного периода в данном регионе достигала -32°С, средняя температура января -43°С. Для Западного сектора Российской Арктики достоверных сингенетические ПЖЛ возраста МИС 4 не обнаружено, поэтому восстановить здесь палеотемпературы невозможно.

-о-сочхнхииов-о-МИС 1 («12ТЛ.Н.) - МИС 2 (25-12 т.л.н.)™»— МИС 3(30-26 т.п.н.)-~»~МИС 4 (60-45 т.л.н.) Рис. 7. Пространственное распределение современных и реконструированных средних январских температур воздуха в Российской Арктике.

-о-соирвмвнжш-на-МИС 1 («12т.л.н.) * МИС 2 (25-12 г.п.и.)-*- МИС 3 <30-26 т.л.н.)^-МИС 4 (60-45 тл.н.) Рис. 8. Пространственное распределение современных и реконструированных средних температур воздуха в холодный период (октябрь - май) в Российской Арктике.

Реконструированные распределения температуры формирования ПЖЛ в Карском регионе позволяют сделать еще один важный вывод. На побережье Карского моря в настоящее время климатические условия, достаточные для образования и роста современных ПЖЛ, наблюдаются только к востоку от меридиана Гыданской губы. Нигде западнее этой границы формирование ПЖЛ невозможно по климатическим показателям.

В пятой главе на основании анализа всех собранных данных по опорным разрезам береговых обнажений, литературных и фондовых материалов по региону представлены этапы и условия эволюции криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене.

Для каждого разреза составлены оценочные «геолого-палеогеографические таблицы». В таблицах отражены условия накопления осадков (субаквальные, субаэральные), приведена характеристика отложений (генезис осадка, мощность слоя, состав), способ промерзания, вскрытые в обнажениях подземные льды, для субаквальных условий приведены характеристика палеобассейна (предполагаемая глубина моря и температура придонных вод). Характеристика палеоклиматических условий (табл. 2) приведена на основе реконструкций зимних палеотемператур по данным изотопного анализа льда сингенетических ПЖЛ. Летние температуры (июнь-август) оценены на основе аналогий. По известным значениям зимней температуры и температуры холодного периода из имеющейся базы данных метеорологических станций Российской Арктики были подобраны станции - аналоги, которые расположены

в той же биоклиматической зоне (по данным палинологического анализа) и имеющие близкие значения зимних температур и температур холодного периода.

Таблица 2

Фрагмент оценочной «геолого-палеогеографической таблицы» реконструкции этапов и условий эволюции криолитозоны побережья и шельфа Карского моря

ОБЩАЯ МИС ХАРАКТЕРИСТИКА КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ Биоклиматические

5 Я < 1 X с; § < о X X с В Стадия/ возрастные Границы Тср.янв, °с Тер.ЗИМ, °С Тср.хол, °С Тлетн. период, °С Тер. год, °С зоны (для субаквальных условий ландшафты ближайших субаэральных территорий)

СОПОЧНАЯ КАРГА

Современ. СОСТОЯН. (за последние 30 лет) -29... -27 -28... -26 -21... -19 6...8 -10,7 Типичная тундра

-О О X =г о о 1 Моложе 11,7 тыс. лет -30... -28 (около 3-4 Т.Л.Н.) -29... -27 (около 3-4 т.л.н.) -22... -19 (около 3-4 Т.Л.Н.) 1...3 (около 3-4 т.л.н.) -14...-12 (около 3-4 т.л.н.), предпол. -8... -5 в период оптимума около 4-6 т.л.н. Арктическая, типичная тундра около 3-4 т.л.н., лесотундра в период оптимума около 4-6 т.л.н.

со 0 1 о X =г Щ а ш4 2 24-11 т.л.н. -34... -32 -34... -31 -24... -21 0...2 -16...-13 Тундростепи, арктические тундры

о ш ± -о 5 за Шз 3 57-24 т.л.н. - - - - - Типичная тундра

с х [Ц2 4 71-57 т.л.н. ОТЛОЖЕНИЯ НЕ УСТАНОВЛЕНЫ

Для иллюстрации пространственного распределения палеогеографических и папеоклиматических условий составлены «карты-схемы палеогеографических условий криолитозоны побережья и шельфа Карского моря в позднем неоплейстоцене - голоцене». Всего составлены четыре карты-схемы соответствующие временным срезам на вторую половину МИС 3, в МИС 2, период после голоценового оптимума (МИС 1) и современный этап. Для примера на рис. 9 приведена карта-схема палеогеографической обстановки в МИС 2 (сартанское время). В составленных картах-схемах палеогеографических условий важная роль отведена отображению пространственного распределения реконструированных температур воздуха соответствующего временного среза.

Рис. 9. Карта-схема палеогеографической обстановки в МИС 2 (сартанское время). Условные обозначения: 1- территория с субаэральными условиями (суша), 2 - территория занятая морем, 3- предполагаемые области развития оледенений, 4- современная береговая линия, 5- граница оледенения по Зуепскеп е1.а1.,2004, 6- границы и названия биоклиматических зон, 7- реконструируемые среднегодовые температуры воздуха, 8- реконструируемые зимние температуры воздуха,9- реконструируемые летние температуры воздуха, 10- а) участки с авторскими данными по сартанским отложениям, б) участки с известными литературными данными по изотопии ПЖЛ в МИС 2, в) участки с авторскими данными по изотопии ПЖЛ в МИС 2.

ВЫВОДЫ

1. К настоящему времени сложились общие представление о хронологии и стратиграфии четвертичных отложений среднего и позднего неоплейстоцена и голоцена исследуемого региона. Для решения проблемы корреляции разных стратиграфических подразделений удобной оказывается применение общепризнанной шкалы морских изотопных стадий (МИС).

2. Исследована серия опорных геокриологических разрезов на побережье Карского моря. Ни в одном из изученных разрезов не представлены полностью отложения всего временного ряда от МИС 5 до МИС 1, но совокупность всех разрезов позволяет восстановить основные этапы и условия эволюции криолитозоны в позднем неоплейстоцене-голоцене. На основе всего комплекса данных для каждого опорного разреза выполнена палеогеографическая интерпретация. Подробные геокриологические данные могут быть использованы для других видов геологических исследований -картографирования, геологических корреляций и т.п.

3. Установлено, что ледовый комплекс (ЛК) Западного Таймыра представляет собой естественную границу распространения ЛК в силу того, что нигде к западу от него в позднем неоплейстоцене - голоцене не существовало геологических и климатических условий для образования отложений ЛК. Ледовый комплекс на побережье Западного Таймыра отличается от других известных регионов более молодым возрастом (МИС 2) и меньшей мощностью.

4. Создана база данных по изотопному составу разновозрастных сингенетических повторно-жильных льдов и современных элементарных ледяных жилок. На основе анализа пространственного распределения содержания изотопов кислорода 5180 в повторно-жильных льдах установлено, что атмосферная циркуляция в Российской Арктике, начиная с 50 тыс. лет назад и до настоящего времени носила более или менее устойчивый характер и радикально не менялась. Формирование ледникового щита в Баренцевом и Карском морях в период последнего оледенения (МИС 2) не оказывало существенного влияния на параметры атмосферной циркуляции. Вероятно, ледниковый щит был незначительным по площади и высоте и практически не препятствовал атмосферному переносу с запада на восток. Предложено использовать изотопный состав повторно-жильных льдов (ПЖЛ) как надежный индикатор их возраста. Современное образование ПЖЛ на побережье Карского

моря возможно только к востоку от Гыданской губы. Экспериментально установлено, что зависимость изотопного состава атмосферных осадков от температуры является стабильной во времени. Это позволило принять климатический стандарт, для построения калибровочного графика зависимости изотопного состава льда ПЖЛ от температуры. Калибровочный график использован для реконструкции зимних палеотемператур на основании изотопного состава повторно-жильных льдов. Среднеквадратичное отклонение оценок температуры составляет 2,7. С вероятностью 0,85 пределы варьирования частных значений температуры, определяемой по уравнениям регрессии, составляют ±3,8 °С.

5. На основе разработанной базы данных изотопного состава разновозрастных повторно-жильных льдов на побережье Карского моря реконструированы зимние температуры воздуха и температуры холодного периода (октябрь-май) для трех временных срезов позднего неоплейстоцена-голоцена: вторая половина каргинского времени, сартанское время и голоцен после климатического оптимума. Летние и среднегодовые температуры оценены по современной климатической базе данных на основе аналогий. Составлены геолого-палеогеографические таблицы для каждого опорного разреза, в которых приведены основные сведения об этапах и условиях эволюции криолитозоны применительно к конкретному разрезу. Определены «реперные значения» отклонения температуры воздуха от современной для трех временных срезов позднего неоплейстоцена-голоцена: вторая половина каргинского времени, первая половина сартанского времени и голоцен после климатического оптимума. Понижение среднегодовых температур воздуха по сравнению с современными значениями составило соответственно 2-4 °С, 6-8 "С и 1-3 °С. Построены карты - схемы, иллюстрирующие палеогеографическую обстановку на каждый временной срез и пространственное распределение климатических характеристик для региона Карского моря. Установлено подобие (сходство) пространственного распределения температур для всех трех временных срезов, т.е. характер распределения климатических характеристик так же оставался стабильным в последние 50 тыс. лет.

Публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Васильев A.A., Стрелецкая И.Д., Широков P.C., Облогов Г.Е. Эволюция криолитозоны прибрежно-морской области Западного Ямала при изменении климата // Криосфера Земли. -2011. -T.XV. -№>2.-С.56-64.

2. Васильев A.A., Широков P.C., Облогов Г.Е., Стрелецкая И.Д. Динамика морских берегов Западного Ямала // Криосфера Земли. -2011. -T.XV. -№4. - С.72-75.

3. Стрелецкая И.Д.,. Васильев А.А, Слагода Е.А., Опокина О.Л., Облогов Г.Е. Полигонально-жильные льды на острове Сибирякова (Карское море) // Вестник Моск. ун-та, сер. «География». - 2012. - №3. - С. 57-63.

4. Стрелецкая И.Д, Гусев Е.А., Васильев A.A., Облогов Г.Е., Аникина Н.Ю., Арсланов X.A., Деревянко Л.Г., Путина З.В. Геокриологическое строение четвертичных отложений берегов западного Таймыра // Криосфера Земли. - 2013. -T.XVII. -№3. - С. 17-26.

5. Стрелецкая И.Д., Васильев A.A., Облогов Г.Е., Матюхин А.Г. Изотопный состав подземных льдов Западного Ямала (Марре-Сале) // Лед и снег. - 2013. - №2 (122). -С.83-92.

6. Стрелецкая И.Д., Васильев A.A., В.П. Мельников, Облогов Г.Е. Оценка атмосферной палеоциркуляции по изотопному составу полигонально-жильных льдов // Доклады Академии Наук. - 2014. - Т.457. - №. 5. - С.608-611.

7. Стрелецкая И.Д., Васильев A.A., Облогов Г.Е., Токарев И.В. Реконструкция палеоклимата Российской Арктики в позднем неоплейстоцене - голоцене на основе данных по изотопному составу полигонально-жильных льдов // Криосфера Земли. - 2015. - T.XIX. - №2. - С.98-106.

В прочих изданиях

8. Streletskaya I.D., Gusev Е.А., Vasiliev A.A., Oblogov G.E., Molodkov A.N. Pleistocene - Holocene paleoenvironmental records from permafrost sequences at the Kara Sea coasts (NW Siberia, Russia) // Geography, environment, sustainability. -2013. - V.6. -№3. — P. 60-76.

9. Стрелецкая И.Д., Васильев A.A., Широков P.C., Облогов Г.Е. Эволюция криолитозоны прибрежно-морской области Западного Ямала в условиях меняющегося климата / Материалы четвертой Конференции геокриологов России. -2011.-М.: МГУ. - Т. 1. - С. 278-283.

10. Oblogov G.E., Streletskaya I.D., Vasiliev A.A., Gusev E.A., Arslanov H.A. Quaternary deposits and Geocryological Conditions of Gydan Bay Coast of the Kara Sea / Proceeding of the Tenth International Conference on Permafrost. - 2012. - V.2. - The Northern Publisher, Salekhard, Russia. - P. 29-296.

11. Облогов Г.Е., Коростелев Ю.В., Орехов П.Т., Малкова Г.В., Васильев A.A. Межгодовая изменчивость климатических характеристик, определяющих динамику мерзлых толщ на полуострове Ямал / Арктика, Субарктика: мозаичность, контрастность, вариативность криосферы: Труды международной конференции / Под. ред. В.П. Мельникова и Д.С. Дроздова. - Тюмень: Изд-во Эпоха. -2015. - С. 265-268.

12. Стрелецкая И.Д., Васильев A.A., Облогов Г.Е., Матюхин А.Г. Изотопный состав подземных льдов Западного Ямала (Марре-Сале) / Тезисы докладов XV Гляциологического симпозиума «Прошлое, настоящее и будущее криосферы Земли». - 2012. - Архангельск, САФУ. - С. 92.

Подписано в печать: 12.10.15

Объем 1,0 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 153 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинский проспект, д.2 +7(495)978-66-63, www.reglet.ru